更多动物模型在亨廷顿病中的奇思妙用【HD关爱月特辑】
2022年05月30日
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摘要：HD的致病基因是4号染色体上的HTT基因，该基因1号外显子有一段CAG三核苷酸不稳定重复序列。
HD的致病基因是4号染色体上的HTT基因，该基因1号外显子有一段CAG三核苷酸不稳定重复序列。 正常人群中这一重复序列的数量为6-35个，若超过40个，会导致HD发病，出现舞蹈症；若在36-39之间，一部分人会发病，一部分人无症状。 值得注意的是，HD的发病时间与CAG重复序列的数量相关，重复数越多发病越早。 携带约40个CAG重复序列通常在40岁开始出现运动障碍，携带大于60个通常在青少年时期发病。
图1 CAG重复序列决定HD发病时间
HD基因层面的致病因素已经明确，但病理机制部分目前尚未有全面清晰的报道。 比较认可的说法是，突变HTT蛋白在大脑内纹状体发生聚集沉积，损伤纹状体内的神经元，导致神经元凋亡、纹状体萎缩。 当HTT基因发生突变，突变体HTT的表达可以产生多种毒性变体，包括由小的CAG重复RNA（sCAGRNA）形成的RNA发夹、异常重复相关的非ATG（RAN）翻译蛋白产物、由异常剪接形成的氨基末端HTT基因1号外显子蛋白片段以及可以进一步加工以产生更小的片段突变体HTT（mHTT）。 这些产物既可以保持单体存在，也可以形成低聚体或包涵体，可能在不同程度上促成HD发病。
图2-4 CAG重复序列决定HD发病时间
在HD中，mHTT的存在会导致转录失调、线粒体功能受损、突触功能障碍、内质网（ER）应激和对中型多棘神经元（MSN）营养支持的丧失。mHTT可通过改变内向整流钾通道Kir4.1和谷氨酸转运蛋白1（GLT1）的表达，损害细胞外离子稳态和突触处星形胶质细胞对谷氨酸的摄取，从而增加神经元的兴奋性和激活度。 此外，mHTT还可引起外周和中枢神经系统细胞的异常免疫激活，导致神经炎症，最终神经变性、神经元凋亡。 对HD进行基因治疗是近年来各大研究机构和药企重点攻关的方向。 基因治疗有多种手段，如AAV载体递送、ASO药物、小核酸药物等。当前临床阶段的项目列举如下： 一是uniQure公司的AMT-130，在欧洲进行的1b/2期临床试验完成首批两例患者用药。AMT-130是该公司第一个针对中枢神经系统的基因治疗产品，基于AAV5载体递送针对性的micro-RNA，能够极大降低mHTT的表达。应注意的是，其疗法是通过神经外科手术，在全身麻醉的患者颅骨上钻2-6个小孔，使用微型导管将AMT-130注入大脑的两个特定区域(尾状体和纹状体)，属于侵入式治疗，存在一定的风险性。 二是罗氏制药和Wave生命科学两家制药公司研究的ASO药物tominersen，在进行I/II期试验显示，能显著降低脑脊液中mHTT的水平，并且没有严重的副作用。但在第III阶段试验中，该药未能显示出更高的疗效，于是2021年3月宣布停止III期研究，随后也停止两款I/II期药物的开发。 三是诺华生物研发的一款可穿过血脑屏障的口服小分子RNA剪接调节剂Branaplam，FDA已授予快速通道资格，目前处于2期临床试验。Branaplam通过与表达mHTT的mRNA前体结合，能够改变mRNA剪接过程，从而触发mRNA降解。研究显示，Branaplam在体外细胞模型、动物模型和早期临床试验中，均能够降低mHTT水平。研究人员还在论文中表示，这种小分子疗法是在RNAi和ASO之外，提供了一种改变HD疾病进程的新策略。 复旦大学鲁伯埙团队开创性提出基于自噬小体绑定化合物的药物研发概念，研究的一类“小分子胶水”，可特异性结合HD致病蛋白mHTT，利用细胞自噬降低mHTT水平，同时不黏附野生型HTT。 研究表示，该药物还有跨越血脑屏障的能力，能通过低剂量腹腔给药，直接降低HD小鼠大脑皮层及纹状体的mHTT水平。既不影响野生型HTT水平，也改善了疾病相关表型，为口服或注射药物的研发提供了切入点，为未来药物的开发提供了新的方向和可能。 一是通过转基因过表达mHTT的N一端片段，包括表达变异HTT exon1对应蛋白片段的R6/2及R6/1模型、表达更长片段的N171—82Q模型等。 这些N一端片段均包含mHTT中的polyQ序列，产生的N端片段被发现具有高毒性，并且易聚集。 这类模型由于只具有变异基因的5端序列，且往往有多个拷贝，在遗传学方面与HD患者不一致；表型往往出现早(几周至十几周），也与大多数患者不一致。 一种是通过人工染色体方法表达转基因的人源mHTT，主要包括YAC(用酵母人工染色体)及BAC(用细菌人工染色体)两种模型。 这种方式的优点是表达了人源基因，并且包含了基因在人类基因组中所有相关元件，包括启动子、内含子等基因组序列；缺点是依然属于转基因模型，虽多了若干变异基因的拷贝，但并未减少野生型拷贝数，与患者基因型不吻合。 另一种是把小鼠Htt基因中的exon1替换成患者基因中的exon1来表达mHTT。根据CAG重复数，常用的有Q140、Q150、Q175等模型。 这种方式属于基因敲入，利用小鼠内源Htt启动子表达mHTT蛋白，并且替换了原有的野生型，在遗传学上最接近HD患者。但也有缺陷，其表达的变异基因除exon1及部分intron1以外，剩余全是小鼠的同源基因Htt，具有物种差异性。 总的来说，小鼠模型用于HD研究的优势在于研究工具全面，遗传型和表型与患者高度吻合，为HD机制和治疗的研究提供了关键信息。 一是HD猴模型。利用慢病毒注射卵细胞的方法表达携带84个CAG重复基因exon1。本联盟专家李晓江教授和李世华教授曾与Yerkes国家灵长类动物研究中心的Anthony Chan合作，在2008年报道建立了HD恒河猴模型，成功出现肌张力障碍和舞蹈症等表型。 二是HD羊模型。利用显微注射受精卵转入携带73个CAG重复的HTT全长cDNA的方法。此方法所构建的HD羊模型出现了一些分子水平的HD病理变化及代谢表型，但未观察到明显的神经体系功能方面的疾病表型。 因为猪的体型大小、各系统发育、代谢等都与人的情况极其相似，大脑大小也较为接近，且跟人一样具有沟回。所以，猪的脑疾病模型具有独特优势，更容易转化为临床应用。 最早的HD猪模型通过转基因过表达mHTT的N一端片段构建，但同样由于表达外源性治病基因片段毒性过强，出生后存活时间很短，无法将致病基因传代。 为了更准确地模拟神经退行性疾病，研究人员采用CRISPR/Cas9基因编辑技术将人的突变HTT基因插到猪的内源性基因中，并通过体细胞核移植技术，建立了HD基因敲入猪模型。其没有引入外源转基因，直接把内源性的野生型基因变成疾病型，使HD基因型与患者完全吻合。 进一步研究发现，该模型能够很好地模拟HD患者在大脑纹状体中多棘神经元选择性死亡的典型病理特征，还能表现出类似HD的体重下降、行为异常等表型。更重要的是，这些表型能遗传给后代，为HD药物研发提供了稳定的大动物模型来源。 
除了上述的动物模型，还有酵母模型、线虫模型、果蝇模型、斑马鱼模型等。这些模型也具有特定的优势，例如表型检测实验通量高、周期短、易于进行高通量筛选等。欢迎登录官网（rddc.tsinghua-gd.org）查看使用！
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[9] Zhaoyang L , Cen W , Ziying W , et al. Allele-selectivelowering of mutant HTT protein by HTT-LC3 linker compounds[J]. Nature, 2020,2019年575卷7781期:203-209页.[10] 安平, 鲁伯埙. 亨廷顿舞蹈症研究现状[J]. 中国细胞生物学学报, 2018, 40(10):12.
